热解压力和升温速率对煤焦和生物质焦结构及氧化反应性的影响

发布时间：2020-08-14 11:16

【摘要】：随着我国经济的快速发展,煤炭消耗急剧增加,导致高品质煤储量逐渐减少,生物质作为一种可再生资源对缓解能源紧缺有着积极的作用。诸多煤和生物质的热化学转化技术中,热解是具有共性的基础且重要的过程,热解半焦的结构特征是其反应性的决定因素。热解条件影响挥发分的产物分布和煤焦的物化性质,进而影响焦的反应活性。其中,升温速率和热解压力分别影响热解过程中脱挥发分过程和挥发分逸出过程,改变半焦的物化结构及其反应性,影响气化炉的运行,而煤气化高温高压的发展现状促使对煤的快速热解和加压热解进行深入研究。因此,研究升温速率和热解压力对煤焦和生物质焦结构及反应性的影响对煤和生物质的共利用至关重要。本研究课题以煤(褐煤、烟煤)和生物质(玉米秸秆)为原料,利用两段式固定床反应器分别在不同升温速率和热解压力下制备焦样,通过焦样的比表面积、表面形貌、碳微晶结构和化学结构及其等温氧化反应性的表征,对比分析热解压力和升温速率对焦样物化结构及其反应性的影响,并进一步探讨热解压力和升温速率对煤和生物质热解过程中挥发分二次反应的影响,主要结论归纳如下:(1)升温速率的提高,褐煤、烟煤和生物质的焦产率均降低,焦样的比表面积和缺陷结构增加,同时焦样的石墨化程度降低,这些焦样结构上的改变使得高升温速率热解所得褐煤焦、烟煤焦和生物质焦反应性增加。生物质焦表面粗糙程度和碳微晶结构随升温速率变化的幅度较褐煤焦和烟煤焦更为明显,且升温速率的改变对生物质焦反应性的影响更大,主要是因为生物质本身的氧含量、H/C原子比以及碱金属及碱土金属含量(尤其是K)较褐煤和烟煤的高。(2)慢速热解过程中随着压力的升高,褐煤、烟煤和生物质的焦产率略微提高;褐煤焦和生物质焦的比表面积随着压力的增高而降低,烟煤焦的比表面积呈无规律变化;热解压力的提高使得煤焦和生物质焦表面结构更加致密,平整度增加,缺陷结构减少;随着压力的提高,焦样的碳微晶结构更为规整,芳香度增大,化学结构趋于稳定,石墨化程度升高,这主要是因为较高的热解压力增大挥发分的扩散阻力,使得热解过程中挥发分的二次反应更为剧烈,最终使得煤焦和生物质焦的反应性随压力的增加而降低。(3)热解压力通过影响快速热解过程中的挥发分的释放影响煤焦和生物质焦的孔隙结构、表面形貌和碳微晶结构,进而影响焦样的氧化反应性。高升温速率下随着压力的升高,褐煤、烟煤和生物质的焦产率增大,且生物质增大的趋势最为明显;褐煤焦和生物质焦的比表面积呈现降低趋势,而烟煤焦反而呈现增大的趋势;煤焦和生物质焦的表面更加致密紧凑,颗粒分布较为均匀,表面更为平整,缺陷结构减少;热解压力升高使得焦样的碳微晶结构较常压下更为规整,芳香度增大,石墨化程度升高;高压下煤焦和生物质焦的氧化反应性均低于常压下。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ520.1;TK6
【图文】：

太原理工大学硕士研究生学位论文脱气阶段：室温 300oC。在 120oC 前除煤中内在水和外O2和 N2等气体，在 200oC 300oC 间分子结构主要发生（烟煤），生成 CO2。和分解阶段：300 600oC，是煤的活泼热分解阶段，该阶气和焦油，也是焦油释放量最大阶段。烟煤在此过程中不存在胶质体形成阶段，仅发生激烈的热分解，析出大量。反应阶段：600 1000oC，以分子间缩聚反应为主。随着气体产物以 H2为主，含有少量的 CH4等。随温度升高大，强度提高，体积缩小，同时有裂纹的形成，表明该

图 1-2 生物质分级热化学转化过程[20]g. 1-2 Staged degasification concept within the thermochemical biorefi源如褐煤和生物质所含挥发分含量较高，因此挥发分的挥发分的二次反应是初次生成的挥发物在高温下的再次因而又被称为缩聚反应，通过调节挥发分的二次反应可和半焦的物化结构等[21,22]。传统认为快速升温或降温可时间，从而减少二次反应发生，大部分学者认为这样可以煤和热源之间温度梯度较大，反而会推动挥发分发生二热解反应器中发生二次反应从而缩聚结焦，可以延缓焦此，可认为煤和生物质的热解实质就是挥发分二次反应的物质焦结构及反应性的研究现状

太原理工大学硕士研究生学位论文和升温速率对煤焦和生物质焦结构及其反应性的影响，可为煤和生物质的论指导，为生物质代替部分化石燃料提供科学根据，为加压气化炉反应器提供基础数据。于上述背景，本文拟将采用加压固定床反应器，在不同热解压力和升温速种类的煤焦（褐煤焦和烟煤焦）以及玉米秸秆焦样。采用热重分析仪研究解压力对煤和生物质热解过程的影响。使用场发射扫描电镜和静态氮吸附表面形貌和孔结构的表征；使用 XRD 对样品进行碳微晶结构的表征；使谱仪对样品进行碳骨架化学结构的表征；采用热重分析仪对焦样进行等温。将焦样的氧化反应性与其物理结构和化学结构进行关联，对比分析热解率对焦样物化结构及其氧化反应性的影响，并进一步分析热解压力和升温物质热解过程中挥发分二次反应的影响。实验研究的方案路线简图见图 1-

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本文编号：2792957